Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü‘nden araştırmacılar; kuantum bilgisayarı sayesinde zamanın yönünü geriye döndürdüler. Ayrıca, yıldızlararası boşluktaki bir elektronun kendiliğinden geçmişe dönme ihtimalini de hesapladılar.
MIPT Kuantum Bilişim Teknolojisi Fiziği Laboratuvarı Başkanı Gordey Lesovik: “Termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etme ihtimaline dair bir dizi makale var. Bu yasa, zamanın geçmişten geleceğe doğru tek yönlü yönünü belirleyen ‘Zaman Oku’ kavramıyla yakından ilgilidir. Çalışmaya ikinci tür bir yerel kalıcı hareket makinesi tanımlayarak başladık. Sonra Aralık ayında, ikinci kanunun ihlali Maxwell’in Cini* adı verilen bir cihaza karşıt bir makale yayınladık. En son makale; aynı soruna üçüncü bir açıdan yaklaşıyor: Yapay olarak zamanın termodinamik okuna göre ters yönde gelişen bir durum yarattık.”
Geleceği Geçmişten Farklı Kılan Nedir?
Çoğu fizik kanunu gelecekle geçmiş arasında bir ayrım yapmaz. Örneğin, bir denklemle; iki özdeş bilardo topunun çarpışmasını ve geri tepmesi formüle edilir; daha sonra olayın yakın bir görüntüsü bir kamerayla kaydedilir ve geriye doğru oynatılırsa, yine de aynı denklem ile gösterilebilir. Dahası, eğer üzerinde oynanmışsa, kayıttan ayırt etmek mümkün değildir. Her iki sürüm de makul sonuçlar verir. Bu şekilde bilardo toplarının sezgisel zaman duygusuna meydan okuduğu anlaşılıyor.
Ancak, piramitleri kırabilen bir bilardo topunu kaydetmeyi hayal edersek, bilardo topları her yöne dağılır. Bu durumda, gerçek hayat senaryosunu, ters oynatımdan ayırmak kolaydır. Bu termodinamiğin ikinci yasası hakkındaki sezgisel anlayıştan kaynaklanır. Kısaca izole bir sistem; ya statik kalır ya da düzenden ziyade kaos durumuna doğru gelişir.
Diğer birçok fizik kanunu; bilardo toplarının bir piramit içine toplanmasını, demlenmiş çayın çay poşetine geri akmasını veya bir yanardağın tersten “patlamasını” önlemez. Ancak bu fenomenler henüz gözlenmedi. Çünkü araştırmacılar, ikinci yasaya aykırı olan herhangi bir dış müdahale olmaksızın daha düzenli bir durum üstlenmeleri için, izole edilmiş bir sisteme ihtiyaç duyuyorlar. Bu yasanın niteliği tam olarak açıklanmadı, ancak araştırmacılar arkasındaki temel ilkeleri anlamada büyük ilerleme kaydetti.
Spontan Zaman Değişimi
MIPT kuantum fizikçileri; zamanın en azından bireysel bir parçacık için ve bir saniyenin küçük bir kısmı için kendiliğinden tersine dönüp dönmeyeceğini kontrol etmeye karar verdiler. Yani, bilardo toplarını çarpıştırmak yerine, yıldızlararası uzayda yalnız bir elektronu incelediler.
Araştırmacı Andrey Lebedev: “Elektronu gözlemlemeye başladığımızda lokalize olduğunu düşünüyoruz. Bu, uzaydaki konumundan oldukça emin olduğumuz anlamına gelir. Kuantum mekaniğinin yasaları, mutlak hassasiyetle onu bilmemize engel olur, ancak elektronun bulunduğu küçük bir bölgeyi ana hatlarıyla belirleyebiliriz.”
Fizikçiler, elektronların evriminin Schrödinger Denklemi** tarafından yönetildiğini açıklıyor. Gelecek ve geçmiş arasında bir ayrım yapmamakla birlikte, elektronu içeren alan bölgesi çok hızlı bir şekilde yayılacaktır. Kısacası, sistem daha kaotik olma eğilimindedir. Elektronun pozisyonundaki belirsizlik artıyor. Bu, termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle, büyük çaplı bir sistemde (bilardo masası gibi) artan bozuklukla aynıdır.
Argonne Ulusal Laboratuvarı‘ndan Valerii Vinokur: “Schrödinger Denklemi geri dönüşümlüdür. Matematiksel olarak, Karmaşık Eşleniklik*** adı verilen belirli bir dönüşüm altında denklemin ‘lekeli’ olduğunu açıklayacağı anlamına geliyor. Elektron, aynı zaman diliminde küçük bir alan bölgesine yerleşiyor.”
Bu fenomen doğada gözlenmemesine rağmen teorik olarak, evreni içine alan kozmik mikrodalga fondaki rasgele bir dalgalanma nedeniyle gerçekleşebilir.
Ekip, yakın zamanda kendiliğinden yerleşen ikinci bir kesimin üzerinde “bulaşan” bir elektronu gözlemleme olasılığını hesaplamaya çalıştı. Her saniyede 10 milyar yeni yerelleşmiş elektron gözlemleyerek, evrenin tüm ömrü boyunca (13,7 milyar yıl) partikül halinin tersine dönüşünün ancak bir kez gerçekleşeceği ortaya çıktı.
Bilardo topları ve volkanları içeren büyük ölçekli olaylar; açıkça çok daha büyük zaman ölçeklerinde ortaya çıkar ve şaşırtıcı sayıda elektron ve diğer partiküller içerir. Bu durumda, insanların neden zamanla yaşlandığını ya da zamana dair kanıtları açıklar.
İstek Üzerine Ters Zaman
Araştırmacılar; daha sonra dört aşamalı bir deneyde zamanı tersine çevirmeye çalıştı. Bir elektron yerine, Süperiletken Kesitler adı verilen iki ve daha sonra üç temel öğeden oluşan kuantum bir bilgisayarın durumunu gözlemlediler.
1.Aşama: Talep. Her bir kubit; sıfır durumunda gösterilen temel durumda sıfırlanır. Bu çok sipariş edilen konfigürasyon, küçük bir bölgede lokalize edilmiş bir elektrona veya bilardo topları rafına karşılık gelir.
2. Aşama: Bozulma. Sipariş kaybolur. Elektronun gittikçe daha geniş bir alana yayıldığı ya da bilardo masasının üstündeki rafın kırıldığı gibi, aralıkların durumu; her zaman daha karmaşık olan sıfırların ve değişkenlerin, değişen bir modeli haline gelir. Bu, kuantum bilgisayardaki gelişim programını kısaca başlatarak sağlanır. Aslında, çevre ile olan etkileşimler nedeniyle kendi başına benzer bir bozulma meydana gelecektir. Ancak, kontrollü otonom evrim programı; deneyin son aşamasını sağlayacaktır.
3. Aşama: Zamanın tersine çevrilmesi. Özel bir program, kuantum bilgisayarının durumunu kaostan düzene doğru “geriye” evrilecek şekilde değiştirir. Bu işlem, elektron durumunda rasgele mikrodalga fon dalgalanmasına benzer. Ancak bu sefer kasıtlı olarak uyarılır. Bilardo örneği için açıkça ele geçen bir analoji, masaya mükemmel hesaplanmış “vuruş”lardan biri olabilir.
4. Aşama: Yenilenme. İkinci aşamadaki evrim programı yeniden başlatılır. “Vuruş”un başarılı bir şekilde gerçekleşmesiyle, program daha fazla kargaşaya neden olmaz. Ancak daha çok, kubitlerin durumunu geçmişe geri sarar. Bulaşmış bir elektronun lokalize edilme şekli veya bilardo topları, geriye doğru oynatmada yörüngelerini takip eder ve sonunda bir üçgen oluşturur.
Araştırmacılar, vakaların yüzde 85’inde, iki kubit kuantum bilgisayarının ilk durumuna geri döndüğünü buldu. Üç kubit karıştığında ise, daha fazla hata meydana geldi ve bu da kabaca yüzde 50’lik bir başarı oranı sağladı. Araştırmacılara göre, bu hatalar; gerçek kuantum bilgisayardaki kusurlardan kaynaklanmaktadır. Daha sofistike cihazlar tasarlandıkça, hata oranının düşmesi bekleniyor.
İlginç bir şekilde, Zamanı Tersine Çevirme Algoritması’nın kendisi; kuantum bilgisayarları daha hassas hale getirmek için faydalı olabilir.
Lebedev: “Algoritmamız; kuantum bilgisayarlara yazılan programları test etmek ve gürültü ve hataları ortadan kaldırmak için kullanılabilir.”
*Maxwell’in Cini: 1870’lerde termodinamiğin ikinci yasasına meydan okuyan bir düşünce deneyi. Organize edilmiş atom blokları, verileri kodlamak ve hesaplamaları yapmak için yüksüz atomlar kullanan kuantum bir bilgisayarın temeli oluşturabilir.
**Schrödinger Denklemi: Kuantum-mekanik bir sistemin dalga fonksiyonunu veya durum fonksiyonunu tanımlayan doğrusal bir kısmi diferansiyel denklemdir. Kuantum mekaniğinin kilit bir sonucudur.
***Karmaşık Eşleniklik: Matematikte, karmaşık sayının karmaşık eşleniği, gerçek kısm ve büyüklükte eşit; ancak işaretinde zıt olan hayali sayıdır.